1、2023 年第 11 期2023 年 11 月随着经济发展和人们对室内环境舒适度要求的提高，空调已成为校园建筑的必需品。目前中国高校数量超过 2 000 所，校园建筑数量庞大、建筑类型繁多，全国校园能耗占社会总能耗的 8%1，校园人均碳排放量比全国人均碳排放量高近 5 倍2，而空调系统能耗占建筑能耗的 25%50%3。中国很多高校建筑历史悠久，空调以分体空调或高能耗高碳排放的传统空调为主，空调设备严重老化，对分体空调的使用缺乏监控，存在空调能效较低、使用浪费、高碳排放等问题。在碳达峰碳中和背景下，对校园既有建筑空调系统的绿色、低碳节能改造迫在眉睫。校园建筑密度低，有大量的绿地、操场等，非常适合
2、建设地埋管地源热泵空调系统。蓝杨虹等4、张娅玲等5均提出在校园建筑中，与传统空调系统（冷水机组制冷+锅炉机组供热）相比，地埋管地源热泵空调系统的节能减排效果及经济效益非常明显。前人对地埋管地源热泵在校园建筑空调系统节能改造中应用的研究主要是在末端具备集中供能的前提下，研究不同冷热源下改造工程的经济性及节能减排效果，得出地埋管地源热泵在校园建筑集中供冷供热的改造中具有很好的经济性、节能性、适应性。但对既有建筑的分体空调进行集中空调改造，需要投资建设末端空调及室外供能管网等，大大增加了项目的投资。采用能源合同管理模式的校园建筑节能改造是否可行有待进一步研究。本文以长沙 A 高校既有建筑的分体空调及
3、燃气溴化锂空调系统的集中空调改造工程为依托，研究集中空调改造的经济性以及节能、减碳效果，分析该类型改造项目在推进过程中存在的困难，并提出建议，争取早日全面建成绿色、节约型校园。1项目概况1.1供能范围及供能现状该校区位于长沙市，属于夏热冬冷气候，校区总建筑面积约 6.4105m2。本期集中空调改造范围包含办公收稿日期：2023-07-28作者简介：周巧利袁 1987 年生袁 女袁 湖南衡阳人袁 硕士袁 工程师袁主要从事可再生能源尧 综合能源等低碳节能工程研究工作遥地源热泵复合技术在高校建筑节能改造的工程应用周巧利（中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007）摘要：对长沙
4、一高校建筑的分体空调及高能耗高碳排的燃气溴化锂空调系统进行低碳节能改造遥 采用集中空调替代袁以地埋管地源热泵作为基础冷热源袁 燃气锅炉和冷水机组作为调峰补充遥 研究不同地埋管配置占比下地埋管总供热量占比袁 从经济尧 节能的角度袁 寻求最优的地埋管配置方案遥 相比原有的空调系统袁 集中空调改造后袁 年空调能耗节省率达到 59%袁 CO2排放减少率达到 56%曰 20 a 全生命周期内袁 集中空调改造增量投资静态回收期为 8.36 a袁 增量投资收益率为 12%遥关键词：地埋管曰 地源热泵曰 低碳节能改造曰 高校建筑曰 分体空调中图分类号：TU83文献标志码：A文章编号：2095-0802-(20
5、23)11-0084-05Engineering Application of Composite Technology of Ground Source Heat Pump inEnergy-saving Renovation of College BuildingsZHOU Qiaoli(Hunan Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,China Energy Construction Group,Changsha 410007,Hunan,China)Abstract:Low-carbon and energy-saving transfor
6、mation of the split air conditioner and the gas lithium bromide air conditionersystem with high energy consumption and high carbon emission of a university building in Changsha was carried out.Centralizedair conditioning was used instead,ground-source heat pumps with buried pipes were used as the ba
7、sic cold and heat source,andgas boilers and chillers were used as peak-shaving supplements.The proportion of total heat supply of buried pipes underdifferent buried pipe configuration ratios was studied,and the optimal buried pipe configuration scheme was sought from theperspective of economy and en
8、ergy saving.Compared with the original air-conditioning system,after the centralized air-conditioning renovation,the annual air-conditioning energy saving rate reached 59%,and the CO2emission reduction rate reached56%;in the 20-year full life cycle,the static payback period of the incremental invest
9、ment in the centralized air-conditioningrenovation was 8.36 years,and the incremental investment yield was 12%.Key words:buried pipe;ground source heat pump;low-carbon energy-saving renovation;college buildings;split air conditioner（总第 218 期）节能减排842023 年 11 月2023 年第 11 期图 1能源站全年逐时供能负荷楼、综合教学楼、综合实验楼、办
10、公楼、交流中心（宾馆）以及大会堂的空调系统，总建筑面积 9.48104m2。各建筑的空调用能现状统计如表 1 所示。表 1各建筑空调用能现状注：综合教学楼、综合实验楼目前未设置空调，交流中心（宾馆）采用燃气溴化锂机组供冷供热；“”表示空调耗电、耗气数据无法获得；空白单元格表示“不适用”。办公楼目前采用多联机的空调形式，已用 10 a，制冷制热效率较低，空调电耗较大，急需更换设备。大会堂和交流中心（宾馆）2 栋建筑采用中央空调系统且共用冷热源，目前采用 1 台溴化锂直燃机供暖制冷。机组额定制冷量 1 745 kW，制冷供回水温度 7/12；额定制热量 1 349 kW，制热供回水温度 50/45
11、。燃气机已用 16a，制冷制热效率较低，亟须更换。综合教学楼和综合实验楼目前未设空调，学校计划安装空调系统。1.2负荷分析各建筑的供能时间如表 2 所示。表 2各建筑供能时间大会堂为学校大型会议及活动场所，假设每月使用 1 次，1 次使用时间 4 h。采用优创区域能源优化设计软件，对各建筑的用能时间及用能特点分别设定相应参数，并考虑同时使用系数 0.8，得出能源站全年逐时供能负荷及全年供冷供热量。根据图 1、表 3，能源站统一供能夏季设计日冷负荷 7 263 kW，冬季设计日热负荷 3 577 kW；供冷季供冷量 2 589 491 kW h（9 322.167 6 GJ），供暖季供热量1 1
12、80 457 kW h（4 249.645 2 GJ），全年供冷供热量3 769 948 kW h（13 571.812 8 GJ）。建筑名称供冷季供暖季供能时间办公楼5 月 15 日至7 月 15 日，9 月 1 日至10 月 15 日12 月 1 日至次年 1 月 15 日，2 月 15 日至3 月 15 日8:0018:00综合教学楼、综合实验楼5 月 15 日至7 月 15 日，9 月 1 日至10 月 15 日12 月 1 日至次年 1 月 15 日，2 月 15 日至3 月 15 日8:0012:00，14:0018:00，19:0021:00交流中心（宾馆）5 月 15 日至10
13、 月 15 日12 月 1 日至次年 3 月 15 日全天 24 h建筑名称建筑面积/m2空调设置耗电量/（104kW h）燃气耗量/（104m3）办公楼18 027.0多联机35交流中心（宾馆）18 966.0中央空调（燃气溴化锂机组）16.9大会堂5 454.5综合教学楼26 819.0综合实验楼25 529.0总计94 795.53516.9时刻2供热方案2.1冷热源方案相对于传统的空调系统，地埋管地源热泵空调投资高，且夏热冬冷地区建筑全年耗冷耗热量相差较大。单独采用地埋管地源热泵供能会大大增加投资，降低项目经济性，也会导致地埋管换热系统全年冷热不平衡。因此该项目采用以地埋管承担基础冷热
14、负荷，冷水机组+燃气锅炉调峰补充的复合能源供能系统。因为学校不存在峰谷电价差，所以该项目不考虑储冷储热。冷负荷。热负荷；8 0007 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000周巧利：地源热泵复合技术在高校建筑节能改造的工程应用852023 年第 11 期2023 年 11 月图 2地埋管系统配置占比分析根据岩土热物响应实验数据，夏季排热 48.24 W/m，冬季吸热 36.45 W/m。地埋管换热器均采用垂直埋管形式，选用 De25 的双 U 型 HDPE（High Density Polyethy-lene，高密度聚乙烯）地埋管，孔深 120 m，孔间排距为 5
15、m5 m。地埋管配置占比关系到项目的投资和运行能耗。地埋管配置占比高可以减少传统能源的消耗，节能减排，但投资也相应增大，项目的经济性降低。因此选择合适的地埋管配置占比非常重要。该项目采用以热定冷的方式，研究不同地埋管配置占比下，供暖期地埋管供热总量占比以及地埋孔需要数量的情况，分析结果如表 4 和图 2 所示。表 4地埋管系统配置占比分析注：地埋管数量考虑 5%富裕量；地埋管配置占比指地埋管供热负荷与设计热负荷的比值。根据表 4 和图 2 数据，当地埋管配置占比超过 25%时，随着地埋管配置占比的增大，供热期地埋管总供热量占比增长速率放缓。从投资经济性考虑，该项目地埋管配置占比按 25%设计，
16、即地埋管换热能力为设计热负荷的 25%，计算得出换热井数量为 210 口。该配置下，供热期地埋管地源热泵供热总量占总供热量的 83%。能源站主要设备配置如表 5 所示。表 5能源站主要设备配置注：空白单元格表示“不适用”；Q 为水泵流量的数值，H为水泵扬程的数值，PN为水泵电功率的数值。冬季平时使用其中 1 台地源热泵机组供热（另外1 台地源热泵机组备用），供热不足部分采用超低氮真空热水机组补充。制热冷冻水供回水温度 45/40，地源侧供回水温度 10/5。夏季 2 台地源热泵机组均供冷，供冷不足部分采用冷水机组（主）+低噪声冷却塔（补充）。另外设置低噪声冷却塔用于地源热泵辅助散热。通过热量监
17、测系统进行监测，当夏季地埋管累计散热量达到冬季累计取热量时，采用低噪声冷却塔辅助散热，确保地埋管系统全年冷热平衡。由于长沙夏季冷负荷及总耗冷量比冬季热负荷及总耗热量大得多，通过计量前一个供热季取热量来确定下一个供冷季的释热量，最终保证地埋管系统长期、高效、稳定运行。制冷冷冻水供回水温度 7/12，地源侧供注：空白单元格表示“不适用”。表 3各单体建筑全年总冷热耗量项别全年总供热量/（kW h）全年总供冷量/（kW h）年耗热量指标/（kW h m-2 a-1）年耗冷量指标/（kW h m-2 a-1）办公楼120 912384 6301030综合教学楼274 047663 9721535综合实
18、验楼241 541497 8731428交流中心537 840 1 030 3213872大会堂6 11812 69613总计1 180 457 2 589 491地埋管配置占比/%承担热负荷/kW热泵满足供热小时数占比/%供热期地埋管总供热量占比/%所需换热井数/口5179.3323.5334.784210358.6770.4453.648415538.0079.8465.1712620717.3481.7175.5416825892.3083.4983.01210301 071.6385.6085.10252351 250.9688.2587.12294401 430.3090.7989.
19、01336451 609.6392.7891.05378501 788.9795.1292.85420551 968.3096.4394.02462602 147.6398.1394.28504652 326.9799.3395.04546702 501.9399.6495.12588752 681.2699.9295.69630设备名称规格型号数量备注地源热泵机组制冷量 957 kW，制热量 918 kW2 台冬季 1 用 1备，夏季全用冷水机组制冷量 1 759 kW，功率 334 kW3 台超低氮真空热水机组制热量 1 400 kW，功率 5.5 kW，2 台低噪声冷却塔冷却水量 284
20、 m3/h，功率 11 kW4 台冷水机组散热用低噪声冷却塔冷却水量 388 m3/h，功率 15 kW1 台地源热泵机组散热用冷水机组冷冻水泵Q=300 m3/h，H=32 m，PN=40 kW4 台3 用 1 备地源热泵冷冻水泵Q=160 m3/h，H=32 m，PN=22 kW3 台2 用 1 备冷水机组冷却水泵Q=360 m3/h，H=26 m，PN=40 kW4 台3 用 1 备地源侧循环水泵Q=182 m3/h，H=27 m，PN=27 kW3 台2 用 1 备地源热泵冷却水泵Q=182 m3/h，H=27 m，PN=27 kW3 台2 用 1 备热水机组循环水泵Q=245 m3/
21、h，H=32 m，PN=37 kW3 台2 用 1 备软化水装置1 套补水定压装置2 套1201008060402010 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 8050地埋管配置占比/%85.1091.0594.0295.0434.7853.6465.1775.5483.0187.1289.0192.85 94.2895.12 95.69862023 年 11 月2023 年第 11 期回水温度为 25/30，冷却塔侧供回水温度为 32/37。主机设备全年供冷供热量占比情况如表 6 所示。表 6主机设备全年供冷供热量占比注：空白单元格表示“不适用”。采用
22、上述复合供能方式，虽然地埋管地源热泵配置占比仅为 25%，但供热季供热量占比达到 83%，大大减少了燃气的使用，减少了碳排放。夏季地源热泵总供冷量 0.59104GJ，实际向土壤散热约 0.35104GJ，其余由低噪声冷却塔辅助散热。该项目采用以地埋管承担基础冷热负荷，低噪声冷却塔+燃气锅炉调峰补充的复合能源供能方式，既节能减碳，又经济，也解决了土壤冷热不平衡的问题，可再生能源（土壤源）利用率约为 0.7/1.35100%52%。2.2方案比较方案一为地埋管地源热泵机组+燃气锅炉+冷水机组，方案二为冷水机组+燃气锅炉机组。方案一与方案二全年主机能耗及主机运行费用对比如表 7 所示。冷热源供热设
23、备配置占比/%供冷设备配置占比/%总供热量/（104GJ）总供冷量/（104GJ）供热量占比/%供冷量占比/%地埋管地源热泵25260.350.59（包含冷却塔的散热量）8363超低氮真空热水机组750.0717冷水机组740.3437总计1001000.420.93100100项别方案一方案二供能期耗电量/（104kW h）电费/（104元）燃气耗量/（104m3）气费/（104元）耗电量/（104kW h）电费/（104元）燃气耗量/（104m3）气费/（104元）供热季21.713.22.136.2812.637.2供冷季46.128.143.226.3合计67.841.32.136.2
24、843.226.312.637.2表 7全年主机能耗及能耗费用注：电价 0.61 元/（kW h），天然气价格 2.95 元/m3；空白单元格表示“不适用”。相比方案二，方案一节省燃气耗量约 1.05105m3，增加耗电量 2.46105kW h，节省能耗折合标准煤 41.3 t，减少 CO2排放量 30.2 t，节省主机运行费用 1.6105元，因此在节能减碳方面方案一更具有优势。3节能减碳效果分析集中供能改造前，各建筑全年空调能耗如表 8 所示。综合教学楼和综合实验楼目前无空调，假设采用多联机空调。空调耗电量 1.613106kW h，燃气耗量约 1.69105m3，折合标准煤总计约 85
25、6.8 t，CO2排放量约 1 923 t/a。表 8改造前各建筑全年空调能耗注：电标准煤折算系数取 0.404；空白单元格代表“不适用”。集中供能改造后，采用专业软件模拟计算得出冷热源系统及末端空调系统的耗电量总计约 8.9105kW h，燃气耗量约 2.2104m3，折合标准煤总计约 350 t，碳排放量约 840 t。相比改造前，节省能耗折合标准煤约506.8 t，节省比例达约 59%；CO2排放量减少 1 083 t，减少比例约 56%。可见，采用地埋管地源热泵承担基础冷热负荷，燃气锅炉+冷水机组调峰补充的复合能源供能方式较既有的分体空调及燃气溴化锂空调系统，能大大减少能耗及碳排放。主
26、要原因是：1)地埋管地源热泵空调系统相比传统的空调系统能效更高；2)学校既有分体空调缺乏统一监控系统，存在滥用、浪费的问题，而能源站集中供能改造后，通过智慧能源管控系统，以需定供，统一控制末端空调的使用，可以解决空调使用浪费的问题。4经济性分析能源站集中空调改造工程投资 3.253107元，包含能源站土建、设备安装，室外管网敷设，办公楼、综合教学楼、综合实验楼的末端风机盘管系统建设（交流中心及大会堂已有末端中央空调，无需改造），室外地埋管系统建设等费用。其中末端风机盘管系统 0.766107元，室外管网 0.440107元，合计约占总投资的 37%。能源站主机设备全寿命周期按 20 a 计算，
27、冷热源及末端空调系统能耗费用约 6.08105元/a，人员工资及设备建筑名称空调设置耗电量/（104kW h）燃气耗量/（104m3）折合标准煤/tCO2排放量/t办公楼多联机（既有）35141.4350交流中心（宾馆）燃气溴化锂机（既有）5.5（风机盘管+输配电耗）16.9227.2365大会堂综合教学楼多联机（新增）67.6273.3676综合实验楼多联机（新增）53.2214.9532总计161.316.9856.81 923周巧利：地源热泵复合技术在高校建筑节能改造的工程应用872023 年第 11 期2023 年 11 月维保费用约 2.9105元/a，总计年运维费 8.98105元
28、/a。如果不进行集中空调改造，即办公楼、综合教学楼、综合实验楼依然按多联机空调建设，交流中心及大会堂燃气溴化锂机组更换新的设备，各建筑空调一次性投资如表 9 所示。表 9采用原空调方案时各建筑空调一次性投资不考虑价格变动因素及时间价值，20 a 全寿命周期内空调总投资约 2.425107元，冷热源及末端空调系统能耗费用约 1.482106元/a，人员工资、维保费用总计约 0.4106元/a，即运维费总计约 1.882106元/a。根据上述分析，20 a 全寿命周期内，保持原有的空调形式（即多联机+燃 气溴化 锂空调）总 投资约2.425107元，运维费 1.882106元/a；集中空调改造投资
29、约 3.253107元，运维费 0.89106元/a。集中空调改造增量投资静态回收期为 8.36 a，增量投资收益率为 12%，财务上可接受。5存在的问题及建议该项目拟采用合同能源管理服务模式，引入社会投资对学校既有空调进行低碳、节能改造。由投资方负责全面投资，在原有空调系统运维费用的基础上，以节能效益作为投资回报。投资方总投资 3.253107元，供能服务收费 1.882106元/a，能源站运维费 0.89106元/a，则静态投资回收期约 32 a，远大于一般项目基准投资回收期。因此，前述合同能源管理模式不适合该项目。建议学校承担部分末端集中空调改造及室外供能管网改造的费用，确保投资方获得合
30、理的收益。然而学校作为社会公益性单位，其基础设施建设一般由政府财政拨款，建议政府相关部门制定相关激励或补贴政策，助力学校既有分体空调及高能耗高碳排空调的绿色、低碳、节能改造，助力中国“双碳”目标如期实现。6结论1)中国学校多，空调能耗非常大，且既有建筑分体空调及高能耗高碳排空调占比较大，空调使用缺乏统一监控管理，存在滥用、浪费等问题。该工程研究表明，对校园既有建筑的分体空调及高能耗高碳排的空调进行低碳节能改造，采用集中空调替代，以地埋管地源热泵承担基础负荷，其他能源调峰补充的复合供能方式，通过智慧能源管控系统能够实现高效、智慧、节能、低碳的空调供应目标。相比原有的空调系统，节省能耗折合标准煤约
31、 506.8 t/a，节省比例达59%；CO2排放量减少 1 083 t/a，减少比例约 56%。2)20 a 全生命周期内，集中空调改造增量投资静态回收期为 8.36 a，增量投资收益率为 12%，财务上可接受。3)既有分体空调集中供能改造投资较大，如果采用合同能源管理服务模式，即引入社会投资负责全面投资，在原有空调系统运维费用的基础上，以节能效益作为投资回报，则无法满足投资方的合理收益，导致项目无法推进。建议学校或政府采取相关激励或补贴措施，确保项目合理收益，吸引社会投资，建设低碳、节约型校园。参考文献：1 谭洪卫，徐钰琳，胡承益，等.全球气候变化应对与我国高校校园建筑节能监管 J.建筑热
32、通风空调，2010，29(1)：36-40.2 郁晓婷.高校能耗监测系统设计和数据传输的优化方案与应用 J.绿色建筑，2020，12(3)：53-56.3 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告 2009 M.北京：中国建筑工业出版社，2009：267-308.4 蓝杨虹，唐峰，陈海波.夏热冬冷地区学校建筑空调系统设计方案节能效果比较分析 J.建筑节能，2014，42(3)：4-8.5 张娅玲，侯亚祥.地源热泵系统在校园建筑中的节能研究 J.邢台职业技术学院学报，2018，35(5)：90-95.（编辑：高志凤）建筑名称空调更换形式设备投资估算/（104元）生命周期/a办公楼多
33、联机61012交流中心（宾馆）、大会堂更换燃气直燃机30020综合教学楼多联机35112综合实验楼多联机314129 魏文良，张利峰.基于能效管理控制的中央空调节能措施 J.能源与节能，2016(1)：99-100.10 李欣璇，刘丽丽，陈曈，等.综合能源智能楼宇能量优化管理技术发展趋势研究 J.能源与节能，2021(7)：56-57.11 邓宇鑫，王磊，李杨.美国居民空调直接负荷控制项目负荷削减评估方法研究 J.华东电力，2014，42(2)：373-378.12 褚燕，张征，黄兴德.国外空调负荷需求侧响应综述及启示J.华东电力，2014，42(4)：639-644.13 王婷，刘潇，武媚，
34、等.大规模空调负荷聚合建模及跟踪控制方案研究 J.电力需求侧管理，2020，22(6)：51-56.14 国网上海市电力公司国内首次开展电力需求响应试验工作J.华东电力，2014，42(9)：1896.15 高赐威，李倩玉，李扬.基于 DLC 的空调负荷双层优化调度和控制策略 J.中国电机工程学报，2014，34(10)：1546-1555.16 徐青山，吴枭，杨斌.考虑状态差异性聚类的空调负荷直接负荷控制动态优化方法 J.电力系统自动化，2016，40(14)：33-42.17 周磊，李扬，高赐威.聚合空调负荷的温度调节方法改进及控制策略 J.中国电机工程学报，2014，34(31)：5579-5589援18 辛洁晴，吴亮.商务楼中央空调周期性暂停分档控制策略 J.电力系统自动化，2013，37(5)：49-54.（编辑：高志凤）（上接第 83 页）88
